к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Пинч-эффект

Пинч-эффект (от англ. pinch - сужение, сжатие) - эффект сжатия, стягивания сильноточного газового разряда (плазменного образования) в результате взаимодействия тока разряда с магн. полем, собственным или внешним. Впервые подобное явление описано в 1934 У. Беннеттом (W. H. Bennett) применительно к потокам быстрых заряж. частиц в газоразрядной плазме. Термин "П--э." введён в 1937 Л. Тонксом (L. Tonks) для описания физ. процессов в сильноточной дуге.
В зависимости от направления тока в плазменном столбе различают z- и15046-119.jpg-пинч. Если ток J протекает вдоль оси z цилиндрич. плазменного столба и взаимодействует с собственным магн. полем, П--э. наз. z-пинчем. Если к цилиндрич. разрядной камере приложено внеш. продольное магн. поле, то в плазме индуцируется азимутальный ток15046-120.jpgв результате взаимодействия к-рого с внеш. магн. полем происходит стягивание плазмы к оси -15046-121.jpg-пинч. Сжатие плазмы наблюдается и в конфигурациях, имеющих вид тонкого плоского плазменного слоя с током - нейтральный токовый слой.
Механизм П--э. можно рассмотреть на примере z-пинча. Силовые линии магн. поля В, создаваемого током, имеют вид концентрич. окружностей, плоскости к-рых перпендикулярны оси. Возникающая электро-динамич. сила F, действующая на единицу объёма проводящей среды с плотностью тока j, равна с-1 [jВ], направлена по радиусу к оси цилиндра и вызывает сжатие токового канала. Сжимающее действие протекающего тока можно считать также простым следствием закона Ампера о магн. притяжении отд. параллельных токовых нитей с одинаковым направлением, создающих полный ток J.
При описании П--э. в терминах магн. гидродинамики для случая идеально проводящей среды объёмная электродинамич. сила F может быть заменена на поверхностное магн. давление pмагн =15046-122.jpg к-рому в случае П--э. в металлич. проводниках противодействует сила упругости, а при сжатии газоразрядной плазмы - газокинетич. давление, обусловленное тепловым движением частиц - ионов и электронов.
При нек-рой величине тока магн. давление на поверхности подвижной, легко сжимаемой газовой среды (плазмы) может стать больше газокинетического и токовый канал начнёт уменьшать своё сечение - возникает П--э.
П--э. может наблюдаться только в проводящих средах, где подвижные носители заряда (электроны и ионы в газоразрядной плазме, электроны и дырки - в полупроводниках) присутствуют в приблизительно одинаковом кол-ве. Если же имеется только один тип носителей тока, то электрич. поле пространственного заряда эффективно препятствует сжатию тока к оси. Прохождение больших токов (10б - 106 А) через газ сопровождается ионизацией и нагревом вещества и переходом его в состояние плазмы. Нагрев плазмы происходит при токовом тепловыделении на омич. сопротивлении плазменного канала (джоулев нагрев) и при адиабатич. сжатии пинча как целого (образуется высокотемпературная плазма).
Магн. поле тока отжимает плазменный канал от стенок разрядной камеры, и образуется изолиров. токовый шнур - пинч. Само магн. поле сосредоточено в пристеночном вакуумном зазоре между пинчем и стенкой, тем самым создаются условия для магн. термоизоляции высокотемпературной плазмы. Линии магн. поля параллельны поверхности пинча, и вылетающие из плазмы заряж. частицы движутся поперёк магн. поля, процесс диффузии плазмы (и перенос тепла) на стенку существенно замедляется: характерная длина - свободный пробег частиц15046-123.jpg заменяется на ларморовский радиус15046-124.jpg к-рый, в зависимости от величины магнитного поля В, меньше15046-125.jpg на несколько порядков величины.
Этим свойством пинчей - магн. термоизоляцией высокотемпературной плазмы - объясняется возникший в связи с проблемой УТС интерес к П--э. Исследование пинчей в действии началось в 50-х гг. одновременно в СССР, США и Великобритании в рамках нац. программы по УТС. Осн. внимание при этом уделялось двум типам пинчей - линейному и тороидальному.
Ток пинча J должен был выполнять ещё одну необходимую для УТС функцию - обеспечивать магн. удержание пинча в состоянии равновесия. Неограниченному магн. сжатию при П--э. противодействует газокинетич. давление плазмы рпл = k(neTe+ niТi, к-рое в плотной высокотемпературной плазме в силу её квазинейтральности (пе = ni = п)и обычно выполняющемуся условию Те = Тiстановится равным рпл = 2nkT (n - плотность, а Т - темп-pa пинча). При равновесии легкоподвижная граница пинча располагается на поверхности равного давления, т. е. после нек-рого нач. сжатия на границе плазменного образования должно непрерывно выполняться условие квазиравновесия пинча
pпл- pмагн =15046-126.jpg
Из этого условия следует т. н. соотношение Беннетта15046-127.jpg Т. к. для цилиндрич. проводника В = 2J/cr, то J2 = 4c2kNT, где15046-128.jpg - число частиц в сечении пинча. Это соотношение показывает, что для достижения в плазме Т15046-129.jpg108 К, при к-рой скорость протекания термоядерных реакций в равнокомпонентной дейтерий-тритиевой смеси уже настолько велика, что синтез ядер может стать энергетически выгодным, требуется хотя и большой, но вполне достижимый ток пинча15046-130.jpg А, в зависимости от N).
Исследования линейного (цплиндрич.) z-пинча проводились в двухэлектродных керамич. камерах. Разрядная камера состояла из изолирующей трубы (фарфор, кварц), торцы к-рой вакуумно-плотно закрывались металлич. электродами. Камера заполнялась дейтерием при давлениии ~10-3 тор, и через газ пропускался импульсный ток (10415046-131.jpg106 А), источником к-рого служила малоиндуктивная конденсаторная батарея (напряжение зарядки 10315046-132.jpg105 В), включаемая через разрядное устройство. Протекающий через газ ток изменялся во времени по закону, близкому15046-133.jpg где С - ёмкость конденсаторного накопителя, L - эфф. индуктивность, состоящая из внеш. индуктивности контура и изменяющейся во времени индуктивности плазменного столба. Скорость нарастания тока достигала величины15046-134.jpg 1012 А/с. В первых же экспериментах по исследованию z-пинча выяснились две главные не учитывавшиеся ранее особенности сильноточного газового разряда.
При изменяющемся во времени токе плазменный шнур скинируется (см. Скип-эффект), и в нагреве плазмы существенным оказывается не джоулево тепловыделение, а электродинамнч. ускорение тонкой токовой оболочки (скин-слоя) к оси, сопровождающееся образованием мощной сходящейся ударной волны. Движение токово-плазменной оболочки происходит при рмагн пл и определяющую роль в движении играют силы инерции; условия нагрева в ударной волне и при кумуляции на оси в результате перехода кинетич. энергии в тепловую оказались более выгодными, но никакого квазиравновесия пинча не обеспечивалось. Оказалось также, что в линейном z-пинче с резкой границей плазма - магн. поле в принципе невозможно получить равновесие пинча из-за развивающихся плазменных неустойчивостей (см. Неустойчивости плазмы и Магнитные ловушки ).Эта особенность сильноточного разряда связана с крайне высокой подвижностью и неравновес-ностыо коллектива частиц, составляющих плазменную среду, и отсутствием внутр. "жёсткости" у плазмы, способствующей сохранению пинчем устойчивой формы. Более того, при сжатии магн. полем диамагн. свойства плазмы способствуют выталкиванию её целиком (или отд. её частей) из области с большим В в сторону уменьшающегося поля.
В экспериментах наблюдалась сначала первая фаза - сжатие плазмы к оси, при к-ром диам. токового канала уменьшался в ~10 раз и на оси камеры образовывался ярко светящийся плазменный шнур, а затем вторая - быстрое развитие плазменных неустойчивостей токового канала - возникали местные пережатия пинча ("перетяжки", "шейки"), его изгибы, винтовые возмущения и т. д. Нарастание этих неустойчивостей происходит чрезвычайно быстро и ведёт к разрушению пинча - выбрасыванию плазменных струй, разрывам пинча, образованию вихрей и т. д. В результате возникают условия, при к-рых ток не сжимает плазму, как следовало бы из соотношения Беннетта, а перехватывается образующейся околопинчевой плазмой или шунтируется вследствие приизоляторных пробоев.
В 1952 Л. А. Арцимовичем, М. А. Леонтовичем с сотрудниками была обнаружена одна из наиб. интересных особенностей линейного П--э. в дейтерии, связанная с развивающимися неустойчивостями. При определённых условиях мощный импульсный z-пинч в разреженном дейтерии становится источником жёсткого рентг. излучения и нейтронов, происхождение к-рых не могло быть объяснено термоядерным механизмом. Разрушение пинча неустойчивостями ограничивает время жизни высокотемпературной плазмы, поэтому в линейном пинче оказывается нереальным достижение Лоусона критерия (соблюдения условия15046-135.jpg с).
Изучение самосжимающихся разрядов явилось своеобразной школой плазменных исследований, позволивших получать плотную плазму со временем жизни, хотя и малым (~10-6 с), но достаточным для изучения физики П--э., разработать разнообразные методы диагностики плазмы, развить совр. теорию процессов в ней. Эволюция установок с пинчем привела к созданию мн. типов плазменных устройств, в к-рых неустойчивости П--э. либо стабилизируются с помощью внеш. магн. полей (квазистационарные системы типа токамака), либо сами эти неустойчивости используются для получения короткоживущей сверхплотной плазмы в т. н. быстрых процессах (плазменный фокус, микропинчи), либо весь процесс имеет столь малую длительность (~10-7 с), что неустойчивость пинча не успевает развиться.
В связи с успехами техники получения больших импульсных токов по-новому встал вопрос о П--э. в металлич. проводниках в виде полых тонкостенных цилиндров. Пропускание большого тока через полый цилиндр приводит к его разрушению - сжатию, смятию, сплющиванию, потере первонач. формы. Такой эффект наблюдается, напр., при попадании молнии в трубчатый громоотвод. Сжатие металлич. цилиндра в варианте z-пинча или15046-136.jpg-пинча стало широко использоваться в работах по получению импульсных магн. полей, сверхвысоких давлений, в процессах магн. сварки металлов и т. д.
Новая интересная идея использовать z-П--э. связана с радиац. охлаждением плазмы сильноизлучающих газов. Потери плазмой энергии на излучение уменьшают противодействие магн. сжатию, и микропинчи позволяют надеяться на получение сверхвысокой плотности вещества при т. н. явлении радиац. коллапса.
П--э. имеет место также и в плазме твёрдых тел, особенно в сильно вырожденной электронно-дырочной плазме полупроводников, где этот эффект влияет на их проводящие свойства.

Литература по пинч-эффекту

  1. Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, 3 изд., М., 1969;
  2. Стил М., Вюраль Б., Взаимодействие волн в плазме твёрдого тела, пер. с англ., М., 1973;
  3. Лукьянов С. Ю., Горячая плазма и управляемый ядерный синтез, М.,1975.

Т. И. Филиппова

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

(время поиска примерно 20 секунд)


Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч километров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.

НОВОСТИ ФОРУМА

Форум Рыцари теории эфира


Рыцари теории эфира
 30.11.2020 - 20:21: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров.
30.11.2020 - 20:20: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
30.11.2020 - 20:20: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Александра Флоридского - Карим_Хайдаров.
30.11.2020 - 10:02: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Пламена Паскова - Карим_Хайдаров.
30.11.2020 - 09:33: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
29.11.2020 - 19:01: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
29.11.2020 - 18:18: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ - Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
29.11.2020 - 18:17: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
29.11.2020 - 18:16: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от проф. В.Ю. Катасонова - Карим_Хайдаров.
29.11.2020 - 11:33: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Галины Царёвой - Карим_Хайдаров.
29.11.2020 - 09:01: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНЫ - Карим_Хайдаров.
29.11.2020 - 08:58: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution